CN103176047B - 一种用于测量蓄电池内阻的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于测量蓄电池内阻的装置，包括：单片机，用于控制所述蓄电池产生毫秒级放电电流，所述单片机包括用于产生以毫秒为周期、以间歇方式输出恒定电流的电流输出单元；标准电阻，与所述蓄电池相连，所述标准电阻的电阻值已知；放大驱动电路，用于根据所述电流输出单元输出的恒定电流输出电压方波以驱动所述金氧半场效晶体管；金氧半场效晶体管，根据所述单片机输出的电流间歇地导通和断开；电压同步采集单元，用于采集蓄电池的电压；内阻计算单元，用于根据标准电阻的阻值、电压及蓄电池的电压计算所述蓄电池内阻。本发明解决了现有技术中在测量蓄电池内阻时存在的对蓄电池损害大、安全隐患大以及测量装置复杂昂贵的问题。

Description

一种用于测量蓄电池内阻的装置

技术领域

本发明涉及蓄电池技术领域，特别是涉及蓄电池内阻测量领域，具体为一种用于测量蓄电池内阻的装置。

背景技术

蓄电池在电动汽车、混合动力汽车方面的应用越来越多，蓄电池系统普遍采用的是串联连接的方式。在蓄电池组中某些单体蓄电池的状态劣化直接影响蓄电池组整体的容量状态，也即蓄电池组的整体容量状态是由系统中某一只或几只劣化状态最严重的蓄电池容量决定。所以，准确测量各个单体电池的状态对防止蓄电池组故障时十分必要的。

电池内阻是衡量电池性能的一个重要技术指标。电池的内阻是指电池在工作时，电流流过电池内部所受到的阻力，它包括欧姆内阻和极化内阻，极化内阻又包括电化学极化内阻和浓差极化内阻。欧姆内阻主要是指由电极材料、电解液、隔膜电阻及各部分零件的接触电阻组成，与电池的尺寸、结构、装配等有关。电流通过电极时，电极电势偏离平衡电极电势的现象称为电极的极化。极化电阻是指电池的正极与负极在进行电化学反应时极化所引起的内阻。电池的内阻不是常数，在充放电过程中随时间不断变化，这是因为活性物质的组成，电解液的浓度和温度都在不断的改变。欧姆内阻遵守欧姆定律，极化内阻随电流密度增加而增大，但不是线性关系，常随电流密度的对数增大而线性增加。不同类型的电池内阻不同,相同类型的电池，由于内部化学特性的不一致，内阻也不一样。正常情况下，内阻小的电池的大电流放电能力强，内阻大的电池放电能力弱。电池的内阻很小，我们一般用微欧或者毫欧的单位来定义它。在一般的测量场合，我们要求电池的内阻测量精度误差必须控制在正负5%以内，这么小的阻值和这么精确的要求必须采用合适的方法进行测量。

现有蓄电池内阻测量方法中，两种常用的方法较为普及，即直流放电法和交流法。

直流放电法原理是将蓄电池处于脱机状态，通过外部测量仪器的负载进行大电流放电，同时测量蓄电池的电压降和放电电流，通过所测的蓄电池电压与放电电流的比值，得出蓄电池内阻。这种方法的主要缺陷是：必须采用大电流放电，一般为50~80A，有时甚至达到上百安培，对蓄电池的寿命造成伤害；必须保证测量夹与蓄电池极柱稳定可靠连接，如果接触不好会打出电弧，存在安全隐患；同时较大电流对直流系统、充电系统、负载系统构成威胁，必须脱机测量，这样会对系统安全构成隐患。

交流阻抗法是一种小幅度正弦波电流或者电压信号作为激励源，测量由此信号产生的响应信号即可测得电池的内阻。这种方法的主要缺陷是：存在着易受充电器和其它噪声源干扰的问题。存在相位偏移，为了测量准确蓄电池内阻，必须准确测量电压与电流之间的相位差；并且需要附加独立的交流信号源。系统庞大且造价昂贵；采用电压比值处理数据的方法需要测量交流信号的峰值，需要额外附加保持与采样电路。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于测量蓄电池内阻的装置，用于解决现有技术中在测量蓄电池内阻时存在的对蓄电池损害大、安全隐患大以及测量装置复杂昂贵的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用于测量蓄电池内阻的装置，包括：单片机，与蓄电池相连，用于控制所述蓄电池产生毫秒级放电电流；所述单片机包括用于产生以毫秒为周期、以间歇方式输出恒定电流的电流输出单元；标准电阻，与所述蓄电池相连，所述标准电阻的电阻值已知；金氧半场效晶体管，连接在所述蓄电池和所述标准电阻组成的环路中并根据所述单片机输出的电流间歇地导通和断开；放大驱动电路，连接在所述电流输出单元和所述金氧半场效晶体管之间，用于根据所述电流输出单元输出的恒定电流输出电压方波以驱动所述金氧半场效晶体管；电压同步采集单元，设置在所述单片机中，用于采集蓄电池的电压；内阻计算单元，设置在所述单片机中，与所述电压同步采集单元相连、用于根据所述标准电阻的阻值及所述电压同步采集单元采集的蓄电池的电压、所述标准电阻的电压计算所述蓄电池内阻。

可选地，所述金氧半场效晶体管的漏极和源极分别与所述蓄电池和所述标准电阻相连，所述金氧半场效晶体管的栅极与所述放大驱动电路相连。

可选地，所述电压方波加在所述金氧半场效晶体管的栅极与虚拟地之间。

可选地，所述测量蓄电池内阻的装置还包括对采集的所述蓄电池的电压依次进行滤波和放大的高通滤波器和运算放大器。

可选地，所述放大驱动电路输出的电压与所述金氧半场效晶体管的导通电压相匹配。

可选地，所述内阻计算单元根据公式计算得出蓄电池内阻的阻值，其中，r为蓄电池内阻的阻值，R为标准电阻的阻值，V_r为标准电阻的电压降，V_R为蓄电池的电压降。

如上所述，本发明的一种用于测量蓄电池内阻的装置，具有以下有益效果：

1、本发明通过采用单片机控制电池产生毫秒级方波的放电电流（即小脉冲测量），对蓄电池没有任何损害，同时也提高了装置运行时的安全性，此外，标准电阻由于发热导致的电阻变化大大降低，从而提高了测量蓄电池内阻的精度。

2、本发明由于采用小脉冲测量，脉冲时间小于蓄电池充电机等设备的反应时间，故本发明可以在线测量，蓄电池组不用脱机测量，极大减少了蓄电池脱机存在的各种隐患。

3、本发明的装置由于采用小电流，对标准电阻要求较低，降低了测量成本。

4、本发明的装置构造简单，不需要信号发生器、峰值采样等装置。

附图说明

图1显示为本发明的一种用于测量蓄电池内阻的装置的结构示意图。

元件标号说明

1用于测量蓄电池内阻的装置

11单片机

111电流输出单元

112电压同步采集单元

113内阻计算单元

12放大驱动电路

13金氧半场效晶体管

14标准电阻

15高通滤波器

16运算放大器

2蓄电池

21蓄电池内阻

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变,且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，本发明的目的在于提供一种用于测量蓄电池内阻的装置，用于解决现有技术中在测量蓄电池内阻时存在的对蓄电池损害大、安全隐患大以及测量装置复杂昂贵的问题。以下将详细阐述本发明的一种用于测量蓄电池内阻的装置的原理及实施方式，使本领域技术人员不需要创造性劳动即可理解本发明的一种用于测量蓄电池内阻的装置。

请参阅图1，显示为本发明的一种用于测量蓄电池内阻的装置的结构示意图。如图1所示，用于测量蓄电池内阻的装置1包括：单片机11、电流输出单元111、标准电阻14、金氧半场效晶体管13、放大驱动电路12、电压同步采集单元112、以及内阻计算单元113。

所述单片机11，与蓄电池2相连，用于控制所述蓄电池2产生毫秒级放电电流。而且在本发明中，所述单片机11的功能不仅仅是控制所述蓄电池2产生毫秒级放电电流，也要采集标准电阻14电压及蓄电池2的电压并计算出蓄电池内阻21的阻值。

因而，在本发明中，所述单片机11包括电流输出单元111、电压同步采集单元112、以及内阻计算单元113。

所述电流输出单元111用于产生以毫秒为周期、以间歇方式输出恒定电流。

在本实施例中，所述单片机11选用可输出IDAC（电流数模转换器）的单片机11，此单片机11至少一个管脚（输出端口）可以输出恒定电流，即所述电流输出单元111可以输出恒定电流，所述电流输出单元111采用计时方式间歇输出某一恒定电流。

所述恒定电流的大小可以为几十毫安或几百毫安，但不大于1安。

标准电阻14，与所述蓄电池2相连，所述标准电阻的电阻值已知；所述标准电阻14相当于与所述蓄电池2组成一个串联的回路。

在这里，在选用所述标准电阻14的时候，所述标准电阻14的阻值就已经知道了。实际上，就是选用一定具体阻值的标准电阻14与所述蓄电池2串联。

这样，由于串联，在所述蓄电池2放电时，流过所述标准电阻14和所述蓄电池2的电流即相同，若知道标准电阻14的电压及蓄电池2的电压，那么根据欧姆定律，即电压、电阻及电流的关系，便可知道蓄电池内阻21。

需要说明的是，由于本发明采用以毫秒为周期的小电流，对标准电阻14要求较低，降低了测量成本。

放大驱动电路12，连接在所述电流输出单元111和所述金氧半场效晶体管13之间，用于根据所述电流输出单元111输出的恒定电流输出电压方波以驱动所述金氧半场效晶体管13。

所述放大驱动电路12输出幅值稳定的电压方波，由于所述恒定电流是以毫秒为周期、以间歇方式输出的，所以所述电压方波也是以毫秒为周期、以间歇方式从所述放大驱动电路12输出的。在本实施例中，所述电流输出单元111采用单片机内置的微型电流发生器。

具体地，在本实施例中，所述放大驱动电路12输出的电压用于驱动所述金氧半场效晶体管13导通，一般为几伏。

由于电压周期是以毫秒为单位，是小脉冲。由于采用小脉冲测量，脉冲时间小于蓄电池2充电机等设备的反应时间，故本发明可以在线测量，蓄电池2不用脱机测量，极大减少了蓄电池2脱机存在的各种隐患。

金氧半场效晶体管13，连接在所述蓄电池2和所述标准电阻14组成的环路中并根据所述单片机11输出的电流间歇地导通和断开。

所述金氧半场效晶体管13的漏极和源极分别与所述蓄电池2和所述标准电阻14相连，所述金氧半场效晶体管13的栅极与所述放大驱动电路12相连。

从所述放大驱动电路12出来的所述电压方波加在所述金氧半场效晶体管13的栅极与虚拟地之间。由于所述电压方波是间歇的，所以所述栅极与虚拟地之间间歇性地被加上电压，这会导致所述金氧半场效晶体管13间歇性地导通和断开，即所述漏极和源极间歇性地导通和断开。

在所述漏极和源极之间导通时，所述蓄电池2进行放电，方波电流同时流经标准电阻14和蓄电池2。电压方波在标准电阻14上产生电压降V_R＝i×R，电压方波在蓄电池2上产生电压降V_r＝i×r，其中，R为标准电阻14的阻值，根据前面的说明，这个标准电阻14的阻值是已知的，r为蓄电池内阻21的阻值，i为流经标准电阻14和蓄电池2的电路，V_r为标准电阻14的电压降，V_R为蓄电池2的电压降。

具体地，流经所述金氧半场效晶体管13的漏极和源极之间的方波电流也是蓄电池2的放电电流。流经所述金氧半场效晶体管13的漏极和源极之间的方波电流与所述恒定电流的大小相配，可以为几十毫安或几百毫安，但不大于1安。

可见在本发明中，采用的是小脉冲测量，蓄电池2的放电电流时毫秒级的，对蓄电池2没有任何损害，同时也提高了装置运行时的安全性，此外，由于蓄电池2的放电电流时毫秒级的，标准电阻14由于发热导致的电阻变化大大降低，从而提高了测量蓄电池内阻21的精度。

电压同步采集单元112，设置在所述单片机11中，用于采集蓄电池2的电压。具体地，所述电压同步采集单元112采用单片机自带的A/D采集电路进行电压的采集。

内阻计算单元113，设置在所述单片机11中，用于根据已知的标准电阻14的内阻和电压、采集的蓄电池2的电压、以及所述蓄电池内阻21、所述蓄电池2的电压与所述标准电阻14的内阻、电压的比例关系计算出所述蓄电池内阻21。

电压方波在标准电阻14上产生电压降V_R＝i×R，电压方波在蓄电池2上产生电压降V_r＝i×r，其中，R为标准电阻14的阻值，根据前面的说明，这个标准电阻14的阻值是已知的，r为蓄电池内阻21的阻值，i为流经标准电阻14和蓄电池2的电路，V_r为标准电阻14的电压降，V_R为蓄电池2的电压降，V_R通电压同步采集单元112可以获取到，V_r通过单片机的接口直接输入到内阻计算单元113中。

由于标准电阻14和蓄电池2中流过的电流i相同，所以即所以即蓄电池内阻21的阻值可根据公式计算得出。

具体地，所述内阻计算单元113根据公式计算得出蓄电池内阻21的阻值，其中，r为蓄电池内阻21的阻值，R为标准电阻14的阻值，V_r为标准电阻14的电压降，V_R为蓄电池2的电压降。

所述测量蓄电池内阻的装置1还包括对采集的所述蓄电池2的电压依次进行滤波和放大的高通滤波器15和运算放大器16。

为使本领域技术人员，进一步理解本发明的原理，下面介绍本发明测量蓄电池内阻21的工作过程。

单片机11中电流输出单元111采用计时方式间歇地输出一恒定电流，放大驱动电路12根据该恒定电流输出恒定幅值的方波电压，所述方波电压加在所述金氧半场效晶体管13的栅极与虚拟地之间，所述漏极和源极间歇性地导通和断开，在所述漏极和源极导通时，蓄电池2放电，方波电流同时流经标准电阻14和蓄电池2，电压同步采集单元112采集蓄电池2的电压；所述标准电阻14的电压输入到所述内阻计算单元113中，所述内阻计算单元113根据公式计算得出蓄电池内阻21的阻值，从而获得蓄电池内阻21的阻值。

综上所述，本发明的一种用于测量蓄电池内阻的装置，具有以下有益效果：

1、本发明通过采用单片机控制电池产生毫秒级方波的放电电流（即小脉冲测量），对蓄电池没有任何损害，同时也提高了装置运行时的安全性，此外，标准电阻由于发热导致的电阻变化大大降低，从而提高了测量蓄电池内阻的精度。

2、本发明由于采用小脉冲测量，脉冲时间小于蓄电池充电机等设备的反应时间，故本发明可以在线测量，蓄电池组不用脱机测量，极大减少了蓄电池脱机存在的各种隐患。

3、本发明的装置由于采用小电流，对标准电阻要求较低，降低了测量成本。

4、本发明的装置构造简单，不需要信号发生器、峰值采样等装置。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种用于测量蓄电池内阻的装置，其特征在于，包括：

单片机，与蓄电池相连，用于控制所述蓄电池产生毫秒级放电电流；所述单片机包括用于产生以毫秒为周期、以间歇方式输出恒定电流的电流输出单元；

标准电阻，与所述蓄电池相连，所述标准电阻的电阻值已知；

金氧半场效晶体管，连接在所述蓄电池和所述标准电阻组成的环路中并根据所述单片机输出的电流间歇地导通和断开；

放大驱动电路，连接在所述电流输出单元和所述金氧半场效晶体管之间，用于根据所述电流输出单元输出的恒定电流输出电压方波以驱动所述金氧半场效晶体管；

电压同步采集单元，设置在所述单片机中，用于采集蓄电池的电压；

内阻计算单元，设置在所述单片机中，与所述电压同步采集单元及所述标准电阻相连、用于根据所述标准电阻的阻值、电压及所述电压同步采集单元采集的蓄电池的电压计算所述蓄电池内阻；

所述内阻计算单元根据公式计算得出蓄电池内阻的阻值，其中，r为蓄电池内阻的阻值，R为标准电阻的阻值，V_r为标准电阻的电压降，V_R为蓄电池的电压降。

2.根据权利要求1所述的用于测量蓄电池内阻的装置，其特征在于：所述金氧半场效晶体管的漏极和源极分别与所述蓄电池和所述标准电阻相连，所述金氧半场效晶体管的栅极与所述放大驱动电路相连。

3.根据权利要求2所述的用于测量蓄电池内阻的装置，其特征在于：所述电压方波加在所述金氧半场效晶体管的栅极与虚拟地之间。

4.根据权利要求1所述的用于测量蓄电池内阻的装置，其特征在于：所述测量蓄电池内阻的装置还包括对采集的所述蓄电池的电压依次进行滤波和放大的高通滤波器和运算放大器。

5.根据权利要求1所述的用于测量蓄电池内阻的装置，其特征在于：所述放大驱动电路输出的电压与所述金氧半场效晶体管的导通电压相匹配。